La source naturelle : le Soleil à travers l’atmosphère

Les mesures atmosphériques sont faites en transmission dans l’atmosphère qui agit comme un filtre placé entre le Soleil et l’instrument. L’absorption plus ou moins grande des constituants atmosphériques permet d’en quantifier la concentration. Pour mesu- rer le dioxyde de carbone dans l’atmosphère, on vise le Soleil à l’aide d’un réflecteur diffusant. Celui-ci, placé à l’extérieur du laboratoire, renvoie la lumière solaire vers le spectromètre.

La voie de mesure solaire se compose d’une ouverture dans le laboratoire, tout simplement la fenêtre, et d’un réflecteur. La fenêtre est transparente à la lumière. Elle reste fermée durant les mesures atmosphériques. Au début, il a été envisagé d’utiliser l’herbe du jardin face au laboratoire comme réflecteur. Mais, pour des raisons de flux trop faible, on a préféré utiliser un réflecteur plus performant. Différents matériaux ont été testés pour le réflecteur. Deux critères de choix sont entrés en jeu : les propriétés angulaires de la diffusion ainsi que les propriétés de réflectivité. Afin de récupérer un maximum de flux, il faut que la réflectivité dans la bande de mesure (autour de 1,6 µm) soit la plus grande possible. Par ailleurs, si le réflecteur est diffusant dans un champ large, alors la mesure sera moins sensible au mouvement relatif du Soleil engendré par la rotation de la Terre. Idéalement le réflecteur devrait être lambertien, c’est-à-dire diffuser la lumière dans un demi-espace sans direction privilégiée. Au final, une plaque de spectralon, matériau réputé pour être lambertien ainsi qu’un panneau en plastique moins lambertien mais plus performant en réflexion ont été retenus.

Un héliostat a été placé dans la voie de mesure. Il supporte le réflecteur et permet de viser constamment le Soleil au cours du temps en compensant son mouvement re-

Fig. _{2.1 – Schéma du banc expérimental. La voie des sources artificielles est matérialisée en rouge,}

Fig. _{2.2 – Photographie générale du banc. On distingue la voie des sources artificielles ainsi que les}

blocs du cœur interférométrique et de détection.

latif. Indispensable pour un miroir, un héliostat présente un intérêt pour un matériau diffusant. Il permet de limiter la variation temporelle du flux incident dans le spec- tromètre. Considérons par exemple le cas d’un réflecteur parfaitement lambertien. Si celui-ci est immobile durant les mesures, le flux intégré par l’instrument FI varie pro-

portionnellement au cosinus de l’angle α que forment les rayons solaires avec la normale au réflecteur. Ce flux a pour expression :

FI = LRSIΩI (2.1)

avec LRla luminance diffusée par le réflecteur, SIla surface de la pupille du spectromètre

et ΩI l’angle solide qu’il admet. La surface de la pupille et l’angle solide de mesure sont

des paramètres instrumentaux fixes. Le diffuseur étant lambertien, la luminance LR est

donc égale à :

LR=

LSΩS cos(α)

π (2.2)

avec LS la luminance solaire et ΩS l’angle solide sous lequel est vu le Soleil. Ces deux

valeurs sont des constantes. Par contre, du fait de la rotation de la Terre, l’angle α est amené à varier. Le flux incident dans le spectromètre est maintenu maximal si l’incidence des rayons solaires sur le diffuseur lambertien demeure normale. L’étude de ce cas théorique montre que le réflecteur doit être orienté durant les mesures de manière à optimiser la quantité d’énergie intégrée par l’instrument. Ceci est également vrai pour un réflecteur spéculaire. La loi de contrôle de l’orientation du diffuseur n’est pas la même pour les réflexions diffuses et les réflexions spéculaires. Dans notre cas, le réglage de l’héliostat est effectué de manière empirique en choisissant la loi de contrôle adpatée à la composante spéculaire. En début de mesure, l’orientation de référence de l’héliostat est fixée en optimisant le flux incident dans le spectromètre.

La figure 2.4 est une photographie de l’héliostat sur lequel est monté le réflecteur. Les rayons solaires ainsi que certains paramètres de mesure sont matérialisés.

Le type d’héliostat utilisé a pour application générale de renvoyer la lumière dans les bâtiments, de manière à accroître la luminosité dans ceux-ci. Il n’est pas dédié à l’imagerie solaire. Ce type de composant correspond exactement à notre besoin qui est effectivement de renvoyer du flux dans le spectromètre. L’héliostat se règle connais- sant la date, la latitude et la longitude du lieu où il est implanté. On lui indique son orientation optimale, et il en déduit la loi de mouvement en fonction du temps pour suivre correctement le Soleil. Celle-ci correspond cependant à un calcul pour un réflec- teur spéculaire. Elle ne sera par conséquent pas optimale pour un réflecteur diffusant. L’incidence normale des rayons solaires sur un réflecteur lambertien serait assurée par une rotation du réflecteur avec la même vitesse angulaire que celle de l’incidence solaire. Par contre, dans le cas d’un réflecteur spéculaire, la direction de reflexion constante est assurée en appliquant une vitesse de rotation deux fois plus faible. Cette différence vient du fait que dans un cas on maintient constante la direction d’incidence sur le réflecteur, alors que dans l’autre cas on maintient la direction de réflexion du réflecteur. On a toutefois constaté le gain apporté par l’utilisation de l’héliostat, même pour orienter le panneau de spectralon.

La fenêtre du laboratoire se trouve sur le trajet de la lumière. Son l’absorption dans le proche infrarouge est non négligeable. On a constaté une chute de flux d’environ 30 % entre une mesure fenêtre fermée et une mesure fenêtre ouverte. Malgré cela, la fenêtre est maintenue fermée durant les mesures pour ne pas perturber l’environnement de l’instrument.